A Columbia shuttle balesete után véletlenül megmentett kísérlet lehetővé teszi a tudósok számára, hogy megértsék a folyadékok alapvető, bár kevéssé ismert tulajdonságát.

fizikája

2008. április 25 .: Tegyünk egy kis tudományos kísérletet. Ha van egy doboz tejszínhab (Spanyolországban ez az úgynevezett "tejszínhab") a hűtőszekrényben, folytassa és vegye ki. Öntsön egy bőséges adag krémet egy kanálba, és vigyázzon.

(A kérdés elgondolkodásakor helyezze a kanalat a szájába a tudomány nevében.)

A tejszínhab a "nyíróhígítás" nevű jelenség miatt gyorsan változik. Ha a hab egy részét kénytelen csúszni vagy "átvágni" a hab többi részén, a hab "elvékonyodik" (kevésbé viszkózus lesz). Kevésbé hasonlít a mézre és inkább a vízre, így könnyebben folyhat, amíg a ritkítás meg nem áll.

A nyíróhígítás sok anyagban fordul elő; például. kulcsfontosságú a ketchup, a vér, a motorolaj, a festékek, a folyékony polimerek (például az olvasztott műanyag), és gyakran az anyag használatának ismerete. Például a motorolaj túlzott nyíróhígítása nem kívánatos, mert csökkenti az olaj azon képességét, hogy megvédje a gépet a kopástól. Ehelyett a festékben levágott hígítás lehetővé teszi, hogy simán folyjon ki az ecsetről, de mégis tapadjon a falra. Ez az a hatás, amely lehetővé teszi a ketchupmártás kifolyását az üvegből, de nem csöpög le és nem csúszik le a chipsről.

"A részletek a folyadék molekuláris szintű kölcsönhatásaitól függenek, és ezek a kölcsönhatások meglehetősen bonyolultak lehetnek" - mondja Robert Berg folyadékfizikus az Országos Szabványügyi és Technológiai Intézet munkatársa. "Az alapvető elméleteket még a legegyszerűbb folyadékok esetében sem igazolták közvetlenül".

Mostanáig. A nyíróhígítás jelenségének egyszerű folyadékban történő működéséről szóló elmélet első valódi megerősítését a Columbia űrrepülőgép utolsó repülésének fedélzetén végrehajtott kísérlet révén nyertük.

"Megmutatjuk, hogy az egyik legfontosabb elmélet alapvetően helyes" - mondja Greg Zimmerli, a NASA Glenn Kutatóközpontjának kísérletének tudósa. "Ez egy fontos lépés" - teszi hozzá Berg, aki a kísérlet fő kutatója.

A Xenon-2 vagy CVX-2 kritikus viszkozitásának nevezett kísérlet során kapott adatok többségét a földi tudósokhoz küldték, mielőtt a transzfer megsemmisült a légkörbe való visszatérése során. Figyelemre méltó, hogy a kísérlet merevlemeze túlélte a katasztrófát, és a hajó maradványai között találták meg, így a technikusok helyre tudták állítani a többi adatot.

Felett: Az elektródák közé felfüggesztett hüvelykujj méretű "ablaktábla" bit az a lapát, amellyel eltávolították a CVX-2 kísérletből származó xenon mintát.

A CVX-2 kísérletet a xenonban, a lámpákban és az ionos rakétaturbinákban használt anyagban alkalmazott nyíróhígítás tanulmányozására tervezték. A xenon kémiailag inert, ezért molekulái egyetlen atomból állnak (ez a legközelebb az idealizált gáz vagy folyadék úszó biliárdgolyó-modelljéhez). A tejszínhabtól eltérően, amely hosszú, összetett szerves molekulákból áll, a xenont viszonylag könnyebb megérteni.

"Az elméleti szakemberek számára ezt egyszerűbb megérteni" - mondja Zimmerli.

Egyes egyszerű folyadékok, mint például a xenon, általában nem mutatnak nyíróhígítást. Vastagok vagy vékonyak és ebben az állapotban maradnak. De ez megváltozik, ha megközelíti a "kritikus pontjukat": a hőmérséklet és a nyomás speciális kombinációja, ahol folyadékok egyidejűleg létezhetnek folyékony és gáz halmazállapotban. Kritikus helyzetükben az egyszerű folyadékok „elvékonyodhatnak, ha felvágják”, akárcsak a tejszínhab.

Le: A xenon fázisdiagramja szemlélteti a kritikus pont fogalmát: a legmagasabb hőmérséklet és nyomás, amelyen a xenon folyadékként és gázként egyszerre létezhet.

A CVX-2 kísérletet az űrben kellett elvégezni: a kritikus ponton lévő folyadékok könnyen összenyomódnak. A Földön a saját súlyuk alatt omlanak össze és sűrűbbé válnak a konténerek alján. Ehelyett az orbitális szabadesésben ezek a különbségek eltűnnek, ami a jó kísérlet alapvető követelménye.

A nyírás elvékonyodásának tesztelésére a CVX-2 kísérlet során a hőmérsékletet és a nyomást egy kis hengerben állítottuk be, amíg a xenon el nem érte a kritikus pontját, majd a folyadékot nikkel hálós lapáttal óvatosan eltávolítottuk. A folyadéknak a lapát mozgásával szembeni ellenállásának mérésével a kísérlet képes volt meghatározni a xenon viszkozitását. Ezután a viszkozitás változását kerestük, miközben a lapát sebessége és a folyadék hőmérséklete lassan megváltozott.

Az eredmények pontosan megegyeztek a dinamikus mód kapcsolási elmélet jóslataival. "Ez az alapvető megértés segíthet abban, hogy jobb elméleteket dolgozzunk ki a xenonnál bonyolultabb folyadékok nyíróhígításáról" - mondja Zimmerli.

Ez nagyon jó hír lenne például azoknak a mérnököknek, akik nagy teljesítményű gépjárműolajokat akarnak létrehozni, vagy azoknak a gyártóknak, akik folyékony műanyagokat szeretnének gyártani, amelyek megfelelő nyíróhígító tulajdonságokkal rendelkeznek egy adott penész számára. A határ a képzelet.

Bár annak tudása, hogy lehetséges-e a tejszínhab javítása, abszolút ellentmondásos téma.